人源神经类器官微生理系统揭示学习记忆基础构建模块的分子与功能特征

本研究通过化学调控诱导即刻早期基因表达、输入特异性短/长时程突触可塑性(STP/LTP)及神经元网络动力学分析，首次在hiPSC衍生的神经类器官(bMPS)中系统证实了学习记忆的基础分子机制与功能特征，为类器官智能(OI)研究和神经系统疾病建模提供了关键实验依据。

在探索大脑奥秘的征程中，科学家们一直渴望找到能准确模拟人类神经系统的实验模型。传统二维细胞培养无法再现复杂的三维神经网络，而动物模型又存在物种差异的局限性。随着干细胞技术的突破，人诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的神经类器官(brain Microphysiological Systems, bMPS)为破解这一难题带来了曙光。这些三维培养体系能够自发形成包含多种神经细胞类型的复杂网络，但学界对其是否具备学习记忆的基础功能模块仍存争议。

来自约翰斯·霍普金斯大学等机构的研究团队在《Communications Biology》发表的重要研究，首次系统证实了神经类器官具备学习记忆所需的分子与功能基础。研究人员通过长达14周的类器官分化培养，整合RNA测序、免疫荧光、钙成像和高密度微电极阵列(HD-MEA)等多维技术，重点分析了突触可塑性关键标志物表达、神经元网络动力学特征和输入特异性突触强化现象。特别创新地采用θ节律爆发刺激(TBS)方案，在单神经元分辨率水平揭示了类器官的短/长时程突触可塑性。

关键技术方法包括：hiPSC分化为多细胞类型神经类器官的培养体系；RNA测序和qPCR检测突触可塑性相关基因表达；钙成像监测自发振荡活动；HD-MEA记录网络电活动；药理学干预谷氨酸能和GABA能神经传递；改进的TBS方案诱导突触可塑性；基于互信息的功能连接分析和临界态动力学评估。

【神经类器官形成功能性突触并表达学习记忆相关受体】

免疫荧光证实类器官表达突触后标记物HOMER1和突触前标记物突触素(SYP)，以及抑制性突触标记物Gephyrin。qPCR显示谷氨酸受体亚基GRIN1、GRIN2A/B和GABA受体亚基GABRA1持续表达。RNA测序发现8-12周类器官中星形胶质细胞标志物表达增加，提示胶质细胞成熟可能影响网络活动。

【即刻早期基因动态表达谱系】

关键学习记忆相关基因ARC、BDNF、NPAS4、NPTX2和FOS表达随分化时间显著增加，转录因子CREB和CAMK2A同步上调。特别值得注意的是调控突触功能的SYNGAP1基因持续表达，而突触可塑性相关miRNA（如miR-124-3p和miR-132-3p）呈现特征性表达模式。

【自发电活动与网络临界态特征】

钙成像显示4周类器官开始出现自发放电，6周达到高频振荡，8周转为长时程平台状爆发。HD-MEA分析揭示6-9周类器官具有高爆发频率和连接密度，而10-13周组呈现更稳定的临界态动力学，偏离临界态系数(DCC)更低，分支比(BR)接近1，表明网络成熟度更高。

【药理学调控验证功能回路】

GABA_A受体拮抗剂荷包牡丹碱和K⁺通道阻断剂4-AP显著增加NPAS4和FOS表达，并提升网络爆发活动。相反，NMDA/AMPA受体拮抗剂AP5/NBQX完全抑制爆发活动，证实谷氨酸能传递的核心作用。单细胞分辨率分析显示残余电活动可能来自多巴胺能或胆碱能神经元。

【θ节律刺激诱导突触可塑性】

创新性TBS方案在特定神经元亚群中诱导出短时程增强(STP)，表现为激活面积增加21.3%和互信息连接强度提升。线性回归分析发现部分神经元单元呈现长达3小时的长时程增强(LTP)或抑制(LTD)，首次在类器官中实现输入特异性的突触可塑性调控。

这项研究为"类器官智能"(Organoid Intelligence, OI)领域奠定了重要基础，证实hiPSC衍生的神经类器官具备学习记忆所需的分子机器和功能网络特征。特别重要的是，研究建立了TBS诱导突触可塑性的标准化方案和临界态动力学的量化指标，为未来构建更复杂的类器官智能系统提供了关键技术路线。这些发现不仅推动了对人类神经发育和认知障碍疾病机制的理解，也为个性化药物筛选和神经修复治疗开发提供了新型实验平台。随着皮质-海马类器官组装体等更复杂模型的发展，这项工作中建立的研究范式将助力揭开人类认知的细胞密码。